Awaria palnika retortowego stosowanego w kotłach CO
Analiza przyczyn zniszczenia układu podającego
– badania i technologia naprawy
A failure of the retort blowpipe used in central heating boilers
An analysis of the causes of the feeding unit damage
– testing and a repair technology
Dr hab. inż. Jacek Słania, prof. PCz; dr hab. inż. Grzegorz Golański – Politechnika Częstochowska; mgr inż. Paweł Wilk –
– LOGITERM Koszęcin.
Autor korespondencyjny/Corresponding author: jacek.slania@is.gliwice.pl
Streszczenie
W artykule przedstawiono podajnik retortowy stoso-wany do spalania paliw stałych w kotłach C.O. Dokona-no analizy procesu spalania, który spowodował trwałe uszkodzenie elementu podającego opał. Przeprowadzo-no szereg badań mikroskopowych i makroskopowych złomu ślimaka w celu właściwej interpretacji zacho-dzących zjawisk w raz z możliwością określenia składu chemicznego, występujących struktur i własności ma-teriałów. Scharakteryzowano ich wyniki i opracowano technikę naprawy zniszczonego elementu.
Słowa kluczowe: spawanie, uszkodzenie, naprawa
Abstract
In the article a retort feeder used to burn solid fuels in the central heating boilers is presented. An analysis of a burning process, which caused a permanent dam-age of an element delivering the fuel is made. Numerous micro and macroscopic examinations of the scrap of the worm were made in order to interpret all the phe-nomena to characterise chemical composition, struc-tures that occur and the characteristics of the materials. Their results were interpreted and the methods of repa-ration of broken elements were provided.
Keywords: welding, damage, repair
Wstęp
W obecnych czasach dużym zainteresowaniem cieszą się kotły CO wraz ze sterowanym elektronicznie układem podającym paliwo z zasobnika do komory spalania. Oka-zuje się jednak, iż brak właściwego przeszkolenia palaczy pod względem odpowiedniej obsługi takiego urządzenia, czy nawet zwyczajny błąd ludzki może prowadzić do poważ-nych awarii.
Na rysunku 1 zaprezentowano typowy podajnik retortowy jednego z polskich producentów. Rysunek 2 z kolei prezen-tuje typowy ślimak stalowy, stosowany w palnikach retorto-wych. Zbudowany jest z pręta na który nawinięto z odpo-wiednim przesunięciem zwoje ślimaka.
Ważnym elementem podajnika jest sprzęgło. Jest to podze-spół, który z racji ochrony przed zniszczeniem układu napędza-jącego pełni istotną rolę w całym układzie. Najczęściej jako mechanizmu sprzęgła bezpieczeństwa stosuje się: sprzę-gło nierozłączne sztywne z kołkiem ścinanym, a rzadziej
Jacek Słania, Grzegorz Golański, Paweł Wilk
Kosz zasypowy Wentylator Gardziel palnika z otworami napowietrzającymi Klapa wyczystki Motoreduktor napędzany silnikiem elektrycznym
Rys. 1. Palnik retortowy wraz z podstawowymi elementami (źródło: LOGITERM)
Fig. 1. A retort blowpipe with the basic elements (source: LOGITERM)
Rys. 2. Układ podający paliwo: z prawej strony wyszczególnienie najważniejszych elementów
Fig. 2. A fuel feeding unit: from the right a specification of the most important elements
Ślimak stalowy Tarcza oporowa
przeniesienie napędu odbywa się za pomocą klina (który rów-nież ulega ścięciu). Kołek umieszczony w otworze powinien znaleźć się tam bez luzów. Z racji następującego obciążenia każdy luz może spowodować jego zerwanie podczas pracy.
Układ wysprzęglający powinien zadziałać w momen-cie zablokowania ślimaka. Z reguły zdarzenie takie wystę-puje gdy paliwo znajdujące się w zasobniku nie zawiera się w zakresie granulacji do jakiej przeznaczony jest dany układ podający. Czasem w węglu można znaleźć kawałki drewna lub stali, które również zakleszczając się w podajni-ku mogą spowodować zerwanie kołka.
Przypadek ukręcenia ślimaka
Na przedstawionych rysunkach 3 i 4 widnieje ślimak (jego elementy), który uległ zniszczeniu przez ukręcenie. Praco-wał w kotle o mocy 32 kW.
Rys. 3. Ślimak stalowy stosowany w kotłach o mocy 32 kW Fig. 3. A steel worm used in 32 kW boilers
Rys. 4. a) lewa, krótka strona ślimaka, widoczne znaczne skręcenie ślimaka b) dłuższy odcinek ślimaka
Fig. 4. a) Left, short side of a worm, a visible considerable twist of a worm b) longer section of a worm
a)
b)
W celu analizy przyczyn powstania awarii poniżej scharak-teryzowano właściwy proces spalania w omawianym palniku. Proces palenia w palnikach retortowych powinien prze-biegać w taki sposób aby miejsce głównego spalania paliwa znajdowało się powyżej krawędzi otworu palnika.
Warstwa żaru powinna mieć wysokość od kilkudziesięciu do ok. 150 mm w zależności od mocy palnika. Proces spa-lania jest wspomagany przez napływające powietrze (tlen) dzięki otworom nawiewowym znajdującym się w „gardzie-li” palnika. Temperatura w palniku może wynosić od 700 do 1200 °C. Zależy ona od doboru parametrów spalania, a także od kaloryczności i rodzaju paliwa oraz miejsca po-miaru (żar; płomień). Dzięki wysokiej temperaturze następu-je powolne suszenie węgla znajdującego się poniżej, w „gar-dzieli” palnika. Wówczas, w tym czasie istotnym etapem jest proces odgazowania paliwa, który pozytywnie oddziałuje na samo spalanie.
Źle dobrane parametry spalania (zbyt mała ilość poda-wanego paliwa, w zbyt małych odstępach czasu przy zbyt dużym nadmuchu powietrza) wpłynęły na miejsce znajdowa-nia się żaru (miejsce prawidłowego paleznajdowa-nia), które obniżyło się w dół (w głąb komory palnika), a tym samym odbywało się na wysokości zwojów ślimaka (w rurze podajnika bezpo-średnio przed „gardzielą” palnika. Wysoka temperatura spo-wodowała uplastycznienie ślimaka, a ruch obrotowy trzpienia ślimaka (napędzanego przez motoreduktor) jego wstępne
skręcenie. Tworzący się spiek w końcowej części ślimaka spowodował jego blokowanie. Najprawdopodobniej w tym momencie z racji powstania dużych oporów nastąpiło zerwa-nie kołka przenoszącego napęd. Jednak, ślimak zerwa-nie przestał się kręcić - napęd był przekazywany w dalszym ciągu.
Oględziny poawaryjne wykazały, że w trakcie zrywania kołka łączącego tuleję motoreduktora z wałkiem ślimaka ścinany, kołek nie został zerwany w sposób prawidłowy (rys. 5a). Powstał zadzior, który poprzez obrót tulei moto-reduktora utkwił w niej, dalej przenosząc napęd (rys. 5b). Ślimak pracując dalej w tak ciężkich warunkach został pod-dany bardzo dużym naprężeniom. Wpływ wysokiej tempera-tury powodował bardzo szybkie deformacje zwojów ślimaka (rys. 6), utlenianie powierzchni, a także odpadanie warstw tlenków. Taka sytuacja doprowadziła do całkowitego znisz-czenia zwoju. W miejscu charakteryzującym się najmniej-szym przekrojem i uszkodzeniom mechanicznym ślimak został zerwany.
a)
b)
Prawidłowe miejsca ścięcia kołka
Wałek ślimaka Kołek ściany
Tuleja motoreduktora
Widoczny zadzior, który zagłębił się w materiale tulei, przez co napęd był w dalszym ciągu przenoszony
Rys. 5. Przekrój zastosowanego sprzęgła [1] Fig. 5. An intersection of a used clutch [1]
Rys. 6. Miejsce pobrania próbek do badań Fig. 6. A sampling area
Rys. 7. Pęknięcia trzpienia, wraz z widocznymi miejscami odpada-nia warstw tlenków stali
Fig. 7. Cracks of the mandrel with visible areas of falling off layers of iron oxide
C, % wag. Si, % wag. Mn, % wag. P, % wag. S, % wag. Cu, % wag. Stal Zwoje ślimaka 0,11 0,15 0,52 0,001 0,012 0,027 C10 Wałek 0,16 0,17 0,62 0,011 0,012 0,018 C15 Tablica I. Zawartość procentowa pierwiastków chemicznych wg ba-dania stali
Table I. A percentage of chemical elements according to steel testing Następnie przeprowadzono badania makroskopowe i
mi-kroskopowe w celu poznania własności materiału z okolic przerwania ślimaka. Miejsca z których pobrano próbki przed-stawiono na rysunku 6. Zbliżenie złomu ślimaka do badań makroskopowych ukazano na rysunku 7. Wyniki badań mi-kroskopowych przedstawiono na rysunkach 8÷12.
Badanie mikroskopowe próbki 1
Perlit wydzielony głównie po granicach ziaren ferrytu. Miejscami widoczna pasmowość struktury. Wielkość ziarna perlitu: 9 wg PN- EN ISO 643 [2]. Oszacowany udział objęto-ściowy perlitu ok. 20%.
Rys. 8. Mikrostruktura ferrytyczno perlityczna Fig. 8. Ferrite – pearlite microstructure
Rys. 9. Odkształcona mikrostruktura ferrytyczno – perlityczna; widoczna tekstura wskazująca na kierunek odkształcenia działają-cego na mikrostrukturę wałka ślimaka
Fig. 9. A deformation of a ferrite – pearlite microstructure, a visible texture showing a direction of the deformation which have an influ-ence on a microstructure of the worm shaft
Rys. 10. Transkrystaliczne pęknięcia z rozgałęzieniami; a), b) – wy-pełnione produktami korozji, c) i d) bez wypełnienia
Fig. 10. Transcrystalline cracks with branches; a), b) – filled with the corrosion products, c) and d) without a filling
a)
b)
c)
d)
Badanie mikroskopowe miejsca 2
Wielkość ziarna ferrytu 5/4 (62,5 µm/88,4 µm). Powyższa mikrostruktura wskazuje na pracę tego fragmentu wałka w temperaturze co najmniej 400÷500 °C – zachodzi pro-ces rozpadu ziaren (kolonii) perlitu i propro-ces sferoidyzacji i koagulacji węglików (cementytu).
Rys. 11. Mikrostruktura ferrytyczna z licznymi wydzieleniami sko-agulowanych węglików wydzielonych po granicach ziaren jak i we-wnątrz
Fig. 11. A ferrite microstructure with numerous precipitations of coalesced carbides precipitated outside and inside of the grains boundaries
Rys. 12. Transkrystaliczne pęknięcia wypełnione produktami korozji Fig. 12. Transcrystalline cracks filled with the corrosion products
Badania wykazały, iż skład chemiczny materiału zwojów śli-maka odpowiada stali C10. Wałek wykonano natomiast z C15 wg ISO 683-18:1996. Ich skład przedstawiono w tablicy I.
Twardość wałka ślimaka (mikrostruktura ferryt + węgliki), wyznaczono poprzez średnią z pięciu prób: 95÷99. Średnia 96,5 ± 1,4 HV10.
Powyższe badania wskazują, iż główną przyczyną znisz-czenia ślimaka podajnika było jego uszkodzenie w wyniku nałożenia się dwóch czynników związanych z występo-waniem naprężeń zmiennych jak również obecności czyn-nika korozyjnego. Mechanizm takiego uszkodzenia nosi nazwę korozji zmęczeniowej. Na taki typ zniszczenia wska-zuje obecność (zarówno na powierzchni w pobliżu złomu jak i poza nią) trans krystalicznych pęknięć, które prowadzą do zmniejszenia przekroju pracującego wałka, co skutkuje wzrostem naprężeń w czasie eksploatacji elementu. Oka-zuje się także, że złe parametry pracy podajnika (które spo-wodowały cofnięcie się żaru z jednoczesnym osunięciem się go na ślimak) również miały wpływ na zainicjowanie uszkodzenia.
Technologia naprawy ślimaka
Zdecydowano o możliwości regeneracji zniszczonego ślimaka z racji tego iż ślimak ten pracował jedynie przez okres 2 miesięcy w czasie pomiędzy sezonami (nie był bar-dzo obciążony pracą) i jego pozostałe zwoje były w barbar-dzo dobrym stanie. Szerokość zwoju nowego ślimaka wynosi 6 natomiast szerokość regenerowanego 5,95 mm. Rysunek 13 przedstawia fragment części ślimaka, który nie uległ uszkodzeniu.
Rys. 13. Widok nieuszkodzonych powierzchni ślimaka Fig. 13. A view of an undamaged surface of the worm
Założono, iż krótki urwany kawałek ślimaka nie nadaje się do jakiejkolwiek regeneracji. Był on poddany wyso-kim temperaturom, które spowodowały zmiany struktury materiału podstawowego, ale także w tej części znajduje się znaczne skręcenie wałka ślimaka. Próba wyprostowa-nia tego elementu była by po prostu bezsensem. Dlatego w jego miejsce zastosowano nowy ślimak posiadający od-powiednią długość.
Dłuższy odcinek ślimaka został skrócony o odległość delikatnego wygięcia i miejsca, do którego oddziaływała wy-soka temperatura.
Naprawa polegała na połączeniu dwóch elementów śli-maka (krótkiego nowego odcinka i dłuższego oryginalnego) za pomocą procesu spawania. Zdecydowano o zastosowaniu metody MAG. Dobór materiałów dodatkowych do spawania przeprowadzono na podstawie analizy składu chemicznego materiału ślimaka (trzpień jak i uzwojenie). Zastosowano drut elektrodowy zgodnie z PN-EN ISO 14341:2011G3Si1 niesto-powy drut lity miedziowany, klasy SG2.
W tablicy II ukazano składy chemiczne różnych drutów spawalniczych.
Mieszankę gazową dobrano wg PN-EN ISO 14175:2009; M 21 o składzie Ar + (8 do 25% CO2). Przepływ mieszan-ki gazu osłonowego wynosił 14 l/min. Elementy zostały przygotowane za pomocą frezarki uniwersalnej. Ponadto oszlifowano powierzchnie znajdujące się do 20 mm od kra-wędzi złącza.
Widok elementów przed spawaniem przedstawiają ry-sunki 14 i 15. Kolejność spawania została zobrazowana na rysunkach 16 i 17.
Sybmole C Si Mn P i S Ni Mo Al Zr i Ti
G2Si1 0,06÷0,14 0,5÷0,8 0,9÷1,3 0,025 0,15 0,15 0,02 0,15
G3Si1 0,06÷0,14 0,7÷1,0 1,3÷1,6 0,025 0,15 0,15 0,02 0,15
G4Si1 0,06÷0,14 0,8÷1,2 1,6÷1,9 0,025 0,15 0,15 0,02 0,15
Tablica II. Skład chemiczny wybranych drutów spawalniczych wg PN-EN ISO 14341[3]
Table II. A chemical composition of selected welding wires according to PN-EN ISO 14341[3] standard
Rys. 14. Zestawienie elementów przed spawaniem Fig. 14. A specification of elements before welding
Rys. 15. Ukosowanie trzpienia ślimaka Fig. 15. Bevelling of the worm mandrel
Rys. 16. Połączenie wałka - spoina czołowa na X Fig. 16. A joint of the shaft – an X butt weld
Rys. 17. Zwoje ślimaka połączono ze sobą spoiną czołową na X (z powodu uformowania zwoju spoiny są niesymetryczne)
Fig. 17. The coils of the worm are joined with an X butt weld (due to the formation of the coil, welds are unsymmetrical)
Podsumowanie
Odpowiednio dobrane parametry pracy palnika ślimakowego, stosowanego do spalania paliw stałych w kotłach CO mają bardzo duże znaczenie. Niewłaściwe ustawienia, mogą prowadzić do obniżenia się żaru w głąb gardziela - na zwoje podajnika. Taka sytuacja najczęściej kończy się zdeformowaniem wałka ślimaka lub jego zniszczeniem (zerwaniem). Wiąże się to z koniecznością przeprowadzenia prac serwisowych, a także z przerwą w ogrzewaniu instalacji.
Autorzy.dziękują.Panu.Jarosławowi.Urzynicok.(LOGITERM).za.wnikliwą.ocenę.procesu.spalania.paliwa.w.palnikach.retortowych .
Literatura
[1] Praca zbiorowa: Przykłady obliczeń z podstaw konstrukcji maszyn, Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa, 2008r.
[2] PN – EN ISO 643 Stal – Mikrograficzne określanie wielkości ziarna.
[3] Ferenc K, Ferenc J.: Konstrukcje spawane, Połączenia. Wydawnictwa Naukowo – Techniczne, Warszawa 2006 r.
Tablica III. Objętość wykorzystanego spoiwa Table III. An amount of a used filler metal
Miejsce połączenia Objętość mm2
Zwoje ślimaka 840
Wałek 2932
Razem 3772
